Forskere bygger masseproducerbare miniature kvantehukommelseselementer

Forskere ved universitetet i Basel har bygget et kvantehukommelseselement baseret på atomer i en lille glascelle. I fremtiden vil sådanne kvantehukommelser kunne masseproduceres på en wafer.

Det er svært at forestille sig vores liv uden netværk som internet eller mobiltelefonnetværk. I fremtiden er der planlagt lignende netværk for kvanteteknologier, der vil muliggøre tryksikker transmission af meddelelser ved hjælp af kvantekryptografi og gøre det muligt at forbinde kvantecomputere med hinanden.

Ligesom deres konventionelle modstykker kræver sådanne kvantenetværk hukommelseselementer, hvori information midlertidigt kan lagres og dirigeres efter behov. Et team af forskere ved universitetet i Basel ledet af professor Philipp Treutlein har nu udviklet et sådant hukommelseselement, som kan mikrofremstilles og derfor er velegnet til masseproduktion. Deres resultater blev offentliggjort i Physical Review Letters .

Fotolagring i glasceller

Lette partikler er særligt velegnede til at transmittere kvanteinformation. Fotoner kan bruges til at sende kvanteinformation gennem fiberoptiske kabler, til satellitter eller ind i et kvantehukommelseselement. Der skal fotonernes kvantemekaniske tilstand lagres så præcist som muligt og efter en vis tid konverteres tilbage til fotoner.

For to år siden viste Basel-forskerne, at dette fungerer godt ved at bruge rubidium-atomer i en glascelle. "Den glascelle var dog håndlavet og flere centimeter stor," siger postdoc Dr. Roberto Mottola. "For at være egnet til daglig brug skal sådanne celler være mindre og kan produceres i stort antal."

Det er netop, hvad Treutlein og hans samarbejdspartnere nu har opnået. For at bruge en meget mindre celle, der kun måler et par millimeter, som de opnåede fra masseproduktionen af ​​atomure, var de nødt til at udvikle et par tricks. For at have et tilstrækkeligt antal rubidiumatomer til kvantelagring på trods af cellens lille størrelse, var de nødt til at varme cellen op til 100° celsius for at øge damptrykket.

Desuden udsatte de atomerne for et magnetfelt på 1 tesla, mere end 10.000 gange stærkere end Jordens magnetfelt. Dette ændrede atomenerginiveauerne på en måde, der lettede kvantelagringen af ​​fotoner ved hjælp af en ekstra laserstråle. Denne metode gjorde det muligt for forskerne at opbevare fotoner i omkring 100 nanosekunder. Frie fotoner ville have rejst 30 meter på den tid.

1.000 kvantehukommelser på en enkelt wafer

"På denne måde har vi for første gang bygget en miniature kvantehukommelse til fotoner, hvoraf omkring 1.000 kopier kan produceres parallelt på en enkelt wafer," siger Treutlein.

I det nuværende eksperiment blev lagring demonstreret ved hjælp af stærkt svækkede laserimpulser, men i den nærmeste fremtid ønsker Treutlein i samarbejde med CSEM i Neuchatel også at lagre enkelte fotoner i miniaturecellerne. Desuden skal formatet af glascellerne stadig optimeres, så fotonerne opbevares så længe som muligt, samtidig med at deres kvantetilstande bevares.

Flere oplysninger: Roberto Mottola et al., Optical Memory in a Microfabricated Rubidium Vapor Cell, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.260801. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2307.08538

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

Leveret af University of Basel